【発明の詳細な説明】
磁気抵抗式磁界センサ
本発明は磁気抵抗式磁界センサに関するものである。
このようなセンサはいわゆる磁気抵抗効果を採用するものであり、これにより
、センサを磁界にさらすとセンサの電気抵抗が影響を受ける。センサがさらされ
ている磁束変化をセンサの両端間の対応する電圧変化に変換し、これにより磁束
を電気的に“読出す”ようにすることができる。このような種類のセンサは特に
、
− 磁気テープ、ディスク又はカードの形態の記録媒体から生じる磁束をデクリ
プトするのに用いることのできる磁気ヘッドとして、
− 地磁界を検出するコンパス中に、例えば陸上、航空、海上又は個人的なナビ
ゲーションシステム中に、
− 医療上のスキャナにおける磁界センサとして
用いることができる。
磁気抵抗効果は以下の文献で説明されている。
(a) ＩＥＥＥ Trans．Magnetics ＭＡＧ−１１(1975)の第１０１８〜１０３８頁
（T.R．McGuire及びR.I．Potter氏著）。この文献には異方性磁気抵抗効果が説
明されており、これによると、強磁性材料の電気抵抗値はこの材料を流れる電流
の方向に対する磁化の配向に依存する。
(b) Magn．Mater.１３６(1994)の第３３５〜３５９頁（B．Dieny，J.氏著）。こ
の文献にはいわゆるスピン・バルブ磁気抵抗効果が記載されており、これによる
と、一対の交換結合強磁性層の電気抵抗値はこれら２つの層における磁化の相対
配向に依存する。
磁気抵抗体の電気抵抗値Ｒは、分かった電圧Ｖをこの磁気抵抗体の両端間に印
加し、これにより誘起される電流Ｉを測定し、Ｉに対するＶの比によりＲの値を
もたらすことにより測定しうる。適切な磁界（切換磁界）Ｈsが存在しない場合
の抵抗値（Ｒo）とこの磁界が存在する場合の抵抗値（Ｒs）との双方で、このよ
うにして測定した抵抗値を用いて、式
による磁気抵抗比（ＭＲ）を計算することができる。従来の磁気抵抗式センサの
代表的なＭＲ値は（室温で）０．５〜２％程度である。このような比較的低いＭ
Ｒ値は一般に関連のセンサの感度を低下させる。
上述した切換磁界Ｈsは、強磁性体中で磁化の反転を生ぜしめるのに必要な（
最小）印加磁界である。理想的な磁気抵抗式磁界センサでは、Ｈsの値は実用的
な限り小さくするのが好ましく、一方ＭＲ値はできるだけ大きくするのが好まし
い。既知のセンサの問題は、一般に、これら２つの条件を同時に満足させること
ができず、折衷策を講じる必要があるということである。
本発明の目的は、（室温で且つ比較的小さい印加磁界に対し）比較的大きな磁
気抵抗比を得ることのできる磁気抵抗式磁界センサを提供せんとするにある。本
発明の他の目的は、このようなセンサの電気特性及び磁気特性を独立して比較的
大きな範囲に亘って調整しうるようにすることにある。特に、本発明の目的は、
前記センサの切換磁界を比較的小さくするということである。
上述した目的及びその他の目的は本発明によれば、磁気抵抗式磁界センサが狭
窄部を介して相互連結された２つの磁性層を有することを特徴とする当該磁気抵
抗式磁界センサにより達成される。
本発明のセンサを、その電気抵抗値が狭窄部の両端間で（すなわち一方の磁性
層から狭窄部を介して他方の磁性層に電流を流して）測定されるように用いたと
すると、センサの電気抵抗値はこの狭窄部のみから有効に取出される。従って、
この狭窄部の容積はこの狭窄部が相互連結する磁性層の容積のほんの小部分にす
ぎない為、（磁性層から及びこれらに隣接する如何なる磁性材料からも取出され
る）センサの磁性特性を、（狭窄部から取出される）センサの電気特性から殆ど
独立して調整することができる。特に、これにより、大きなＭＲ値を犠牲にする
ことなく（例えば磁性層の構成、厚さ及び幾何学的形状を適切に選択することに
より）比較的低いＨs値を実現させることができるようになる。
上述したのと同じ理由で、センサのＭＲ値を減少させることなく、一方の磁性
層と直接接触する磁束ガイドを得ることができる。これにより、センサの効率を
著し
く高めることができる。
センサの電気抵抗値は磁性層からよりはむしろ狭窄部から実質的に取出される
という事実により、著しく高めたＭＲ値を得るようにすることもできる。この点
を以下に説明する。
強磁性材料の電気抵抗値は磁区内寄与と磁区間寄与との双方から生じる。多く
の分野では、磁区内寄与及びその磁界依存性が磁気信号を検出するのに利用され
る。磁区間寄与は磁区内寄与よりも著しく強い磁界依存性を有しうるも、通常の
強磁性材料では、磁区間寄与は磁区内寄与により圧倒される為、得られるＭＲ値
は小さく保たれる。
本発明によるセンサでは、抵抗値の測定が比較的広い抵抗容積（磁性層の全体
の容積）よりもむしろ著しく局所化した抵抗性容積（狭窄部）内に集中される。
狭窄部は磁壁に対するピン止め(Pinning)中心として作用する為、用いる抵抗性
容積に対する磁区の平均嵩密度が著しく増大する。これにより、磁区間抵抗値効
果の相対的役割を狭窄部の幅ｗcに依存するある程度まで付随して増大させる。
後の説明から明らかとなるように、ｗcの値を小さくすればするほど良好となる
。
説明を明瞭とするために、量ｗcは磁性層の平面に対し平行に測定した狭窄部
の最小寸法（幅）を意味するものとする。
本発明によるセンサの有利な例では、ｗc＜１μｍとする。代表的な強磁性試
料における平均磁区寸法Ｄは一般に１０μｍ程度である為、ｗc≪Ｄであること
が分かる。本発明者が確認した特定の例では、２つの磁性層と狭窄部とより成る
システムは１つの磁壁のみを有しており、この磁壁は、一般に最小の面積を有し
従って最低のエネルギーを有する狭窄部中に位置する。ｗcが磁性層の材料中で
の電子の平均自由工程の長さよりも著しく大きいものとすると、本発明者は
であることを確かめた。ここに、ｒは磁区の界面抵抗値であり、ρは磁性層の材
料の固有抵抗値である。例えば鉄の場合、ｒ≒３×１０-15Ωｍ2及びρ≒１０μ
Ωｃｍ（室温で）である為、ＭＲ≒３０／ｗc（ｗcはｎｍの単位）となる。従っ
て、
− ｗcが１μｍの値を有する場合、ＭＲは約３％となり、これは従来のセンサ
の動作特性に匹敵しうるようになり、
− ｗcが１μｍよりも小さい値を有する場合には、ＭＲは従来のセンサにより
得られる値を可なり超えるようになる（例えば、ｗc＝２５０ｎｍの場合ＭＲ≒
１２％となる）
こと明らかである。
本発明による所定のセンサにおける実際の磁区パターンは上記の単一の磁壁の
例と異ならせることができるも、背景の原理は同じとなる。すなわち、磁性層に
おける磁化を操作することにより狭窄部における磁性微細構造が可成り変化する
。
本発明によるセンサの選択例では、ｗc≦１００ｎｍとする。このような例で
はＭＲの値を可成り増大させる（Ｆｅに対する前述したｒ及びρの値を用いると
３０％以上増大させる）ばかりではなく、センサの全体としての電気抵抗値を好
ましい比較的大きな値（室温で１Ω程度）にする。後に説明するように、ｗcを
１０〜５０ｎｍ程度にし、これによりＭＲ値を５０〜６０％程度又はそれ以上に
する狭窄部を形成するのは比較的容易である。
本発明によるセンサの特定例では、前記２つの磁性層が積層に配置され且つ中
間の非金属層により互いに分離されており、非金属層は、前記狭窄部を形成する
ように磁性材料が充填された孔を有しているようにする。このような孔はほぼ円
形又は楕円形の横断面を有するようにし、例えば、ほぼ円柱状又は“砂時計形状
”（すなわち孔がくびれ部を有し、このくびれ部が孔のそのほかの部分よりも比
較的細くなっている）にすることができ、このような場合、ｗcはその最も細い
個所（くびれ部）の直径である。
中間層に対して用いた言葉“非金属”とは広く解釈すべきである。一般に、こ
の言葉は、金属の導電特性を有しないいかなる物質をも意味するものである。特
に、この言葉は固体材料を意味するだけではなく、液体、気体又は真空をも意図
するものである。更にここで述べる言葉“層”とは（例えばＳｉ3Ｎ4／ＮｉＯ二
重層のような）非金属多重層構造を包含するものである。本発明によるセンサの
特定例では、非金属材料を、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アル
ミニウム酸化物の群から選択する。このような誘電体材料の薄肉層には、選択
マスク及びエッチング技術を用いて、幅ｗcが１５〜５０ｎｍ程度に狭くした良
好に画成された局所的な孔をあけることができ、例えばMicroelectronic Engine
ering１１(1990)の第２２〜３０頁の論文（P.A.M．Holweg 氏等著）を参照しう
る。或いはまた、後の実施例３には、非金属層に自然に生じる“ピンホール”を
磁性材料によりいかに充填して本発明に必要とする磁性狭窄部を形成しうるかを
開示してある。
上記の非金属層の厚さは１０〜５０ｎｍ程度とするのが好ましいが、本発明で
は他の厚さも許容される。
本発明の他の例では、２つの磁性層と狭窄部とをほぼ同一面とする。このよう
な構成のものは、例えば、選択マスク及びエッチング技術を用いて、絶縁基板上
の磁性材料の均一層をエッチングして残りの材料（狭窄部）の幅狭橋絡部のみに
よって相互連結された２つの別々の部分を得るようにして製造することができる
。
本発明のセンサでは、磁性層と磁性狭窄部とが単一の磁性材料を有するように
する。これは（例えばＣｏ層とＦｅ層とがＣｏ狭窄部により分離されている場合
のように）異なる材料間の界面における不所望な散乱現象を防止するためのもの
である。この散乱現象は電気抵抗値に対する相対的な磁区間寄与を減少させる。
センサに用いる単一の磁性材料の適切な例には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びこれらの
合金（例えばパーマロイ又は０＜ｘ，ｙ＜１とした（ＦｅxＮｉ1-x）yＣｏ1-y）
や、Ｆｅ3Ｏ4（磁鉄鉱）及びＰｔＭｎＳｂが含まれる。
本発明によるセンサは、所望に応じ、磁性層及び狭窄部中に既にある材料以外
の追加の磁性材料を有するようにでき、例えば軟磁性材料の層を少なくとも一方
の磁性層に積層させてセンサのＨs値を減少させるか或いは交換バイアス層を一
方の磁性層に積層させてこの磁性層の磁化を特定の方向に“ピン止め”させるよ
うにすることができる。更に、少なくとも一方の磁性層を所望に応じ所定の幾何
学的形状に構成する、例えば、一方の磁性層をディスク形状（円形又は楕円形）
にし、その形状異方性がほぼ零となり、これによりＨsを低くするようにするこ
とができる。
所望に応じ（又は特定の製造処理の結果に応じ）磁性層間に複数個の接続用の
磁性狭窄部を設けることができる。しかし、（並列回路構成で）このような複数
の狭窄部が存在すると、センサの電気抵抗値を減少させる。
磁性層の厚さｔmはｗcよりも著しく厚肉にするのが好ましい。その理由は、狭
窄部の抵抗値Ｒcは関係Ｒc≒ρ／ｗcにより与えられ、磁性層のシート抵抗Ｒ□
は関係Ｒ□≒ρ／ｔmで与えられる為である。ここで、ρは磁性層（及び狭窄部
）の材料の電気抵抗率である。従って、Ｒcを優先させるならばｔmをｗcよりも
著しく大きくする必要がある。双方の磁性層を必ずしも同じ厚さｔmにする必要
はないことに注意すべきである。
本発明によるセンサの特定例では、このセンサが、磁束を外部源から磁性層付
近に集中させる作用をする少なくとも１つの磁束ガイドを有するようにする。前
述したように、このような磁束ガイドは一方の磁性層と実際に接触させることが
できる。
本発明によるセンサは国際特許出願公開ＷＯ９５／２６５４７号に記載された
センサとは種々の特徴事項で相違していることに注意すべきである。これらの特
徴事項には以下のことが含まれる。
− ＷＯ９５／２６５４７の構造は常に積層構造であり、本発明の場合のように
同一面の例はない。
− ＷＯ９５／２６５４７の接続路は磁性層と非磁性層とを交互に配置した多層
構造を有する。これに対し、本発明の構成は磁性材料のみを有する、すなわち多
層構造や非磁性材料は存在しない。
− 本発明の構成の両側の層は磁性層とする必要がある。これに対し、ＷＯ９５
／２６５４７では、接続路の両側の層は金属層のみとする必要がある。
本発明及びその利点を以下に図面を参照して実施例につき説明するに、図中、
図１は、積層構造を用いた本発明による磁気抵抗式磁界センサの一実施例の一
部を示す断面図であり、
図２は、交換バイアス層を設けた後の図１の装置を零磁界中で示しており、
図３は、切換磁界を加えた状態の図２の装置を示しており、
図４は、図１に示す装置を製造する場合の第１の製造工程を示しており、
図５は、図４の装置を、第２の製造工程（エッチング処理）を実施した後の状
態で示しており、
図６は、図５の装置を、第３の製造工程（電着）を実施した後の状態で示して
おり、
図７は、磁束ガイド及び電気接続体を設けた本発明によるセンサの特定の実施
例を示す斜視図であり、
図８は、本発明によるセンサのコプレーナ（同一面）構成例を示す斜視図であ
る。
各図間で対応する部分には同一符号を付してある。実施例１
図１は、本発明による磁気抵抗式磁界センサの一部を示す断面図である。この
センサは中間の非金属層３により分離された２つの磁性層１，２を有する。非金
属層３は、幅（最小直径）ｗcの（ほぼ円形の）孔５を有しており、この孔が磁
性材料で充填されている。この磁性材料は層１及び２を構成する磁性材料と同じ
である。このようにして２つの層１，２間に磁性接続狭窄部７が形成される。
特定例では、層１，２の各々の厚さを６００ｎｍとし、層３の厚さを４０ｎｍ
とし、幅ｗcを約６０ｎｍとする。磁性層１，２及び狭窄部７の材料はＦｅとし
、中間層３はＳｉＯ2を以って構成する。このようなセンサは室温で、５０％の
ＭＲ値、４０ＫＡ／ｍのＨs値及び２Ωの狭窄部の両端間の電気抵抗値を呈する
。センサの電気抵抗値は、磁性層１，２のそれぞれの面１１，１２上に設けた電
極（図示せず）間の抵抗値を測定することにより決定するのが好ましい。実施例２
図２及び３は、本発明によるセンサの特定例の一部を示す断面図であり、セン
サの動作の種々の特性を示している。このセンサは、磁性層２と接触させて交換
バイアス層９を設けることを除いて図１に示すセンサと同じである。この特定例
では、層９がＦｅ0.5Ｍｎ0.5を有し、磁性層１，２及び狭窄部７がパーマロイを
有する。狭窄部７の幅ｗcは５０ｎｍである。図面を明瞭とするために、磁性層
に斜線を付さなかった。
図２は零磁界における状態を示す。この場合、磁性層１，２は強磁性的に結合
されており、従ってこれら磁性層の磁化Ｍ1,Ｍ2は互いに平行である。磁壁は存
在しない。これがセンサの低抵抗状態である。
図３では、磁界Ｈsを磁化Ｍ2に対し逆平行に加えて磁化Ｍ1の方向を反転させ
ている。磁化Ｍ2の方向は層２及び９間の交換バイアスのために変化しない。１
つの（横方向の）磁壁１３が狭窄部７内に形成される。これがセンサの高抵抗状
態である。
交換バイアス層９を使用する代わりに、層２を層１よりも薄肉にすることによ
り層２の磁化Ｍ2を（相対的に）ピン止め(pinning)することができる。他の変形
例には、
− 層２を硬質磁性材料体に直接接触させて堆積したり、
− 例えば層２を細長形態にエッチングすることによりこの層２の形状異方性を
高めるようにこの層を構成する
ことが含まれる。
この特定例では、磁性層１，２が零磁界内で強磁性的に結合されている。変形
例では、層１，２を零磁界内で反強磁性的に結合させ、磁化Ｍ1,Ｍ2の一方に対
し平行に磁界Ｈsを与えることによりこれら磁化Ｍ1,Ｍ2を強制的に互いに平行な
状態にすることができる。実施例３
図４〜６は、図１に示すようなセンサを形成することのできる製造処理の種々
の特性を示す。
図４では、基板Ｓ（例えばガラス）に磁性層２（例えばパーマロイ：Ｎｉ0.8
Ｆｅ0.2）を設ける。次にこの層２に非磁性材料（例えばＡｌ2Ｏ3）の層３を被
覆する。この特定例では、層２の厚さを約３００ｎｍとし、層３の厚さを約１０
ｎｍとする。
層２及び３は例えばスパッタリング堆積又は蒸着のような技術を用いて設ける
ことができ、この場合層２は真空中で堆積し、層３は酸素雰囲気中で堆積する。
特に層２及び３間の界面には種々の結晶欠陥がある為に、層３は当然散在した
位置で小さな“ピンホール”５を有する。通常の薄膜分野では、このようなピン
ホールが厄介なものであり、一般にこれらピンホールをできるだけ減少させるよ
うにする努力が払われている。しかし、本発明では、ピンホール５の発生を実際
的に利用する。ピンホールは一般に２〜５ｎｍ程度の幅を有する為、このような
ピンホールは請求の範囲１に記載したような磁性構造を成長させる理想的な出発
構造として作用しうる。
図５は、図４の装置を電界浴（例えばパーマロイ層２の場合ＮｉＳＯ4・６Ｈ2
Ｏ（１５ｇ／ｌ）とＦｅＳＯ4・７Ｈ2Ｏ（２．２５ｇ／ｌ）とＨ3ＢＯ3（６．７
７ｇ／ｌ）との混合液）内に浸した後の状態を示す。正電圧を磁性層２に印加す
ることにより、層２の一部が溶解され、ピンホール５の下側に小さな空所５′が
形成される。
図５の装置を同じ電界浴内に入れ、層２に負電圧を印加すると、図６に示すよ
うに、磁性材料（パーマロイ）の電着がピンホール５及び空所５′内で行なわれ
、磁性材料の”球状物”１′をピンホール５の頂部上に成長させる。
この球状体１′は請求の範囲１で言う磁性層とみなすことができる。しかし、
所望に応じ、層３及び球状体１′の頂部上に磁性材料（パーマロイ）を無電界堆
積し、任意ではあるがこれに続いて前述した電界浴からの電着を行なうことによ
り球状体１′を幅広にすることができる。実施例４
図７は、本発明による磁気抵抗式磁気読取ヘッド（磁界センサ）の一部を示す
線図的斜視図である。このヘッドは実施例１，２又は３に記載したような磁性／
非磁性／磁性の３層体１，３，２を有し、この３層体に電気接続体７５が設けら
れている。このヘッドは更に、３層体１，３，２に対し磁気回路を形成するよう
に配置された磁束ガイド７７，７７′を有する。端面７９，７９′はヘッドの磁
極面の一部を形成し、磁気ギャップ８０がこれら端面７９，７９′間に位置して
いる。
磁気テープ、ディスク又はカードのような磁気媒体が端面７９，７９′の前を
これらに近接して通過すると、この媒体上に磁気的に蓄積された情報が前述した
磁気回路に変化磁束を発生させ、この磁束が３層体１，３，２をも流れる。この
３層体１，３，２がこの変化磁束を電気抵抗変化に変換し、この電気抵抗変化を
電気接続体７５を介して測定しうる。
ヘッドには電気コイルを設けることもでき、この電気コイルを、磁気媒体上に
磁気情報を記録するのに用いることができる。実施例５
図８は本発明によるセンサの特定実施例の一部を示す斜視図であり、この場合
磁性層１，２及び狭窄部７が同一面となっている。
電気絶縁性基板Ｓ（例えばＳｉ）には磁性材料（例えばＣｏ）より成る均一層
Ｌが設けられている。この層Ｌの厚さｔmは例えば１００ｎｍ程度とする。当該
技術分野で周知の選択マスク及びエッチング技術を用いて、層Ｌから（基板Ｓに
至るまで）一対の溝３′をエッチング形成し、これら溝３′により画成された幅
狭の狭窄部７により互いに連結された２つの磁性層１，２を生じるようにする。
この狭窄部７の幅はｗcとする。
好適実施例では、狭窄部７の層厚はｔmよりも薄くする。この点は例えば、基
板Ｓに向かう方向で狭窄部７を部分的にエッチング除去することにより達成する
ことができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Magnetoresistive magnetic field sensor
The present invention relates to a magnetoresistive magnetic field sensor.
Such sensors employ the so-called magnetoresistive effect,
Exposure of the sensor to a magnetic field affects the electrical resistance of the sensor. Sensor exposed
Is converted into a corresponding voltage change across the sensor, which
Can be electrically "read". This type of sensor is especially
,
-Demagnetize magnetic fluxes from recording media in the form of magnetic tapes, disks or cards;
As a magnetic head that can be used to
-During the compass for detecting geomagnetic fields, e.g. land, air, sea or personal navigation;
During the gating system,
− As magnetic field sensors in medical scanners;
Can be used.
The magnetoresistance effect is described in the following documents.
(a) IEEE Trans. MagneticsMAG-11(1975) pp. 1018-1038
(By T.R. McGuire and R.I. Potter). This document describes the anisotropic magnetoresistance effect.
It states that the electrical resistance of a ferromagnetic material depends on the current flowing through it.
Depends on the orientation of magnetization with respect to the direction of.
(b) Magn. Mater.136(1994) pp. 335-359 (by B. Dieny, J.). This
Describes the so-called spin-valve magnetoresistive effect.
And the electrical resistance of the pair of exchange-coupled ferromagnetic layers is the relative magnetization of these two layers.
Depends on orientation.
The electric resistance value R of the magnetoresistor is obtained by applying a known voltage V between both ends of the magnetoresistor.
The current I induced by this is measured, and the value of R is determined by the ratio of V to I.
Can be measured. Appropriate magnetic field (switching magnetic field) HsDoes not exist
Resistance value (Ro) And the resistance value (Rs) And both
Using the measured resistance value,
Can be calculated. Conventional magnetoresistive sensor
Typical MR values are (at room temperature) around 0.5-2%. Such a relatively low M
The R value generally reduces the sensitivity of the associated sensor.
The switching magnetic field H described abovesIs necessary to cause a reversal of magnetization in a ferromagnetic material (
Minimum) The applied magnetic field. In an ideal magnetoresistive magnetic field sensor, HsValue is practical
It is preferable to make it as small as possible, while it is preferable to make the MR value as large as possible.
No. The problem with known sensors is that they generally satisfy these two conditions simultaneously.
Not be able to do so, and a compromise must be taken.
An object of the present invention is to provide a relatively large magnetic field (at room temperature and for a relatively small applied magnetic field).
It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive magnetic field sensor capable of obtaining an air resistance ratio. Book
Another object of the invention is to independently and relatively independently control the electrical and magnetic properties of such sensors.
The purpose is to be able to adjust over a large range. In particular, the object of the invention is
This means that the switching magnetic field of the sensor is made relatively small.
According to the present invention, the above-mentioned object and other objects are provided by a magnetic field sensor having a narrow magnetic field.
The magnetic resistor having two magnetic layers interconnected via a constricted portion.
Achieved by an anti-magnetic field sensor.
The sensor of the present invention has an electric resistance value between both ends of a constriction (that is, one magnetic field).
Current from the layer through the constriction to the other magnetic layer).
Then, the electric resistance value of the sensor is effectively extracted only from the constricted portion. Therefore,
The volume of this constriction is only a small part of the volume of the magnetic layer interconnected by the constriction.
(Being removed from the magnetic layer and from any magnetic material adjacent to it)
The magnetic properties of the sensor from the electrical properties of the sensor (taken out of the stenosis)
Can be adjusted independently. In particular, this sacrifices a large MR value
(For example, by properly selecting the configuration, thickness and geometrical shape of the magnetic layer)
More) relatively low HsValue can be realized.
For the same reason as described above, without decreasing the MR value of the sensor,
A flux guide in direct contact with the layer can be obtained. This increases the efficiency of the sensor
Author
Can be enhanced.
The sensor's electrical resistance is substantially derived from the constriction rather than from the magnetic layer
Due to this fact, it is also possible to obtain significantly higher MR values. This point
Will be described below.
The electrical resistance of a ferromagnetic material results from both intra-domain contributions and domain contributions. Many
In the field, magnetic domain contribution and its magnetic field dependence are used to detect magnetic signals.
You. The domain contribution can have a much stronger magnetic field dependence than the intradomain contribution,
In a ferromagnetic material, the contribution of the magnetic section is overwhelmed by the contribution within the magnetic domain, so the obtained MR value
Is kept small.
In the sensor according to the present invention, the measurement of the resistance value has a relatively large resistance volume (over the entire magnetic layer).
Rather than being concentrated in a highly localized resistive volume (stenosis).
Since the constriction acts as a pinning center for the domain wall, the resistance used
The average bulk density of the magnetic domains with respect to volume is significantly increased. This makes the magnetic section resistance effective.
The relative role of the fruit is the width of the stenosiscAnd to some extent depending on the
As will be clear from the description below, wcThe smaller the value, the better
.
For clarity, the quantity wcIs the constriction measured parallel to the plane of the magnetic layer
Means the minimum dimension (width).
In an advantageous example of a sensor according to the invention, wc<1 μm. Typical ferromagnetic test
Since the average magnetic domain size D of the material is generally about 10 μm, wc≪D
I understand. In the specific example confirmed by the inventor, it consists of two magnetic layers and a constriction.
The system has only one domain wall, which generally has the smallest area.
Therefore, it is located in the stenosis having the lowest energy. wcIs in the material of the magnetic layer
Assuming that the length of the mean free path of the electron is significantly larger,
I confirmed that Here, r is the interface resistance value of the magnetic domain, and ρ is the material of the magnetic layer.
It is the specific resistance of the material. For example, in the case of iron, r ≒ 3 × 10-15ΩmTwoAnd ρ ≒ 10μ
Ωcm (at room temperature), MR ≒ 30 / wc(WcIs a unit of nm). Follow
hand,
− WcHas a value of 1 μm, the MR is about 3%, which is the
Can be comparable to the operating characteristics of
− WcHas a value less than 1 μm, the MR is
Much larger than the value obtained (eg, wc= 250 nm MR ≒
12%)
It is clear that.
The actual magnetic domain pattern in a given sensor according to the present invention is
Although it can be different from the example, the background principle is the same. That is, the magnetic layer
The magnetic microstructure in the constriction by manipulating the magnetization
.
In an example of selecting a sensor according to the invention, wc≦ 100 nm. In such an example
Significantly increases the value of MR (using the aforementioned values of r and ρ for Fe,
Not only increase the resistance by 30% or more) but also improve the electrical resistance of the sensor as a whole.
More preferably, it is set to a relatively large value (about 1Ω at room temperature). As explained later, wcTo
About 10 to 50 nm, so that the MR value is about 50 to 60% or more.
It is relatively easy to form a constriction.
In a particular embodiment of the sensor according to the invention, the two magnetic layers are arranged in a stack and
Are separated from each other by a non-metal layer therebetween, and the non-metal layer forms the constriction.
So that it has a hole filled with a magnetic material. Such holes are almost circular
Shape or elliptical cross section, for example, substantially cylindrical or "hourglass shaped"
"(Ie, the hole has a constriction, which is smaller than the rest of the hole)
Relatively thin), and in such a case, wcIs its thinnest
It is the diameter of the point (constriction).
The term "non-metallic" used for intermediate layers should be interpreted broadly. Generally, this
Means any substance that does not have the conductive properties of a metal. Special
In addition, the term does not only mean solid material, but also liquid, gas or vacuum
Is what you do. Further, the term "layer" as described herein (e.g., SiThreeNFour/ NiO2
Non-metallic multilayer structures (such as overlays). Of the sensor according to the invention
In particular examples, non-metallic materials include silicon, silicon oxide, silicon nitride, aluminum
Select from the group of minium oxides. For thin layers of such dielectric materials, select
Using mask and etching techniques, the width wcHas been narrowed to about 15 to 50 nm
Well defined local holes can be drilled, e.g. Microelectronic Engine
ering11(1990), pp. 22-30 (by P.A.M. Holweg et al.).
You. Alternatively, in Example 3 below, a “pinhole” that naturally occurs in the non-metal layer is added.
How the magnetic material can be filled to form the magnetic constriction required for the present invention
It has been disclosed.
The thickness of the non-metal layer is preferably about 10 to 50 nm.
Other thicknesses are acceptable.
In another example of the present invention, the two magnetic layers and the constricted portion are substantially on the same plane. like this
For example, using a selective mask and an etching technique,
Etch a uniform layer of magnetic material only to narrow the bridge of the remaining material (constriction)
Thus, it can be manufactured to obtain two separate parts interconnected
.
In the sensor of the present invention, the magnetic layer and the magnetic constriction have a single magnetic material.
I do. This is the case, for example, when the Co layer and the Fe layer are separated by a Co constriction.
To prevent unwanted scattering phenomena at the interface between different materials)
It is. This scattering phenomenon reduces the relative magnetic section contribution to the electrical resistance.
Suitable examples of a single magnetic material for use in the sensor include Fe, Co, Ni and their
Alloy (for example, Permalloy or 0 <x, y <1 (FexNi1-x)yCo1-y)
And FeThreeOFour(Magnetite) and PtMnSb.
The sensor according to the invention may, if desired, be made of material other than the material already in the magnetic layer and the constriction.
May have additional magnetic material, for example, at least one layer of soft magnetic material.
H of the sensorsValue or replace the exchange bias layer.
And “pin” the magnetization of this magnetic layer in a specific direction.
Can be done. Further, at least one of the magnetic layers may have a predetermined geometric shape as desired.
A magnetic layer, for example, one of the magnetic layers is disk-shaped (circular or elliptical)
And the shape anisotropy thereof becomes almost zero, whereby HsTo lower
Can be.
If desired (or depending on the results of a particular manufacturing process), a plurality of connection
A magnetic constriction can be provided. However, such a plurality (in a parallel circuit configuration)
The presence of the constriction reduces the electrical resistance of the sensor.
Magnetic layer thickness tmIs wcIt is preferable to make the thickness significantly larger than that. The reason is narrow
Resistance value R of constrictioncIs the relation Rc≒ ρ / wcAnd the sheet resistance R of the magnetic layer□
Is the relation R□≒ ρ / tmBecause it is given by Here, ρ is the magnetic layer (and the constricted portion)
) Is the electrical resistivity of the material. Therefore, RcIf priority is given to tmTo wcthan
Must be significantly larger. Both magnetic layers are not necessarily of the same thickness t.mNeed to
It should be noted that there is no.
In a specific example of a sensor according to the invention, the sensor applies magnetic flux from an external source to a magnetic layer.
It has at least one flux guide that acts to concentrate closely. Previous
As described above, such a flux guide can be brought into actual contact with one magnetic layer.
it can.
A sensor according to the invention has been described in International Patent Application Publication WO 95/26547.
It should be noted that the sensor is different in various aspects. These features
Signs include the following:
The structure of WO 95/26547 is always a laminated structure, as in the case of the present invention
There is no example of the same surface.
The connection path of WO 95/26547 is a multilayer with alternating magnetic and non-magnetic layers
Having a structure. In contrast, the configuration of the present invention has only the magnetic material,
There is no layer structure or non-magnetic material.
The layers on both sides of the construction of the invention must be magnetic layers. In contrast, WO95
/ 26547, the layers on both sides of the connection path need to be only metal layers.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention and its advantages will now be described by way of example with reference to the drawings, in which:
FIG. 1 shows one embodiment of a magnetoresistive magnetic field sensor according to the present invention using a laminated structure.
It is a sectional view showing a part,
FIG. 2 shows the device of FIG. 1 in a zero magnetic field after providing the exchange bias layer,
FIG. 3 shows the device of FIG. 2 with a switching field applied;
FIG. 4 shows a first manufacturing process when manufacturing the device shown in FIG.
FIG. 5 shows the state of the device of FIG. 4 after the second manufacturing process (etching process) is performed.
State,
FIG. 6 shows the device of FIG. 5 after a third manufacturing step (electrodeposition) has been performed.
Yes,
FIG. 7 shows a specific implementation of the sensor according to the invention provided with a flux guide and an electrical connection.
It is a perspective view showing an example,
FIG. 8 is a perspective view showing a coplanar (same surface) configuration example of the sensor according to the present invention.
You.
Corresponding parts are denoted by the same reference numerals in the respective drawings.Example 1
FIG. 1 is a sectional view showing a part of a magnetoresistive magnetic field sensor according to the present invention. this
The sensor has two magnetic layers 1, 2 separated by an intermediate non-metallic layer 3. Non-gold
The genus layer 3 has a width (minimum diameter) wcThe hole 5 has a (substantially circular) shape.
Is filled with a conductive material. This magnetic material is the same as the magnetic material constituting layers 1 and 2.
It is. Thus, the magnetic connection constriction 7 is formed between the two layers 1 and 2.
In a specific example, the thickness of each of layers 1 and 2 is 600 nm, and the thickness of layer 3 is 40 nm.
And width wcIs about 60 nm. The material of the magnetic layers 1 and 2 and the constriction 7 is Fe.
, The intermediate layer 3 is made of SiOTwoIt is constituted by At room temperature, such sensors have a 50%
MR value, H of 40 KA / msValue and the electrical resistance between both ends of the constriction of 2Ω
. The electric resistance of the sensor is determined by the electric resistance provided on the respective surfaces 11 and 12 of the magnetic layers 1 and 2.
Preferably, it is determined by measuring the resistance between the poles (not shown).Example 2
2 and 3 are sectional views showing a part of a specific example of the sensor according to the present invention.
3 illustrates various characteristics of the operation of the device. This sensor is contacted with the magnetic layer 2 and replaced.
It is the same as the sensor shown in FIG. 1 except that a bias layer 9 is provided. This specific example
Then, the layer 9 is made of Fe0.5Mn0.5And the magnetic layers 1 and 2 and the constricted portion 7 are made of permalloy.
Have. Width w of constriction 7cIs 50 nm. For clarity, the magnetic layer
Was not hatched.
FIG. 2 shows a state in a zero magnetic field. In this case, the magnetic layers 1 and 2 are ferromagnetically coupled.
Therefore, the magnetization M of these magnetic layers1, MTwoAre parallel to each other. Domain wall exists
Does not exist. This is the low resistance state of the sensor.
In FIG. 3, the magnetic field HsMagnetized MTwoAntiparallel to the magnetization M1Flip the direction of
ing. Magnetization MTwoDoes not change due to the exchange bias between layers 2 and 9. 1
One (transverse) domain wall 13 is formed in the constriction 7. This is the high resistance state of the sensor
It is a state.
Instead of using the exchange bias layer 9, by making layer 2 thinner than layer 1,
Of the layer 2TwoCan be (relatively) pinned. Other variants
Examples include:
Depositing the layer 2 in direct contact with the hard magnetic material body,
The shape anisotropy of this layer 2 is reduced, for example by etching
Configure this layer to enhance
It is included.
In this particular example, the magnetic layers 1 and 2 are ferromagnetically coupled in a zero magnetic field. Deformation
In the example, layers 1 and 2 are antiferromagnetically coupled in a zero magnetic field and the magnetization M1, MTwoVs one of
Parallel to the magnetic field HsTo give these magnetizations M1, MTwoForce parallel to each other
State.Example 3
4 to 6 illustrate various manufacturing processes that can form a sensor as shown in FIG.
The characteristics of
In FIG. 4, a magnetic layer 2 (for example, permalloy: Ni) is formed on a substrate S (for example, glass).0.8
Fe0.2) Is provided. Next, a non-magnetic material (for example, AlTwoOThree) Layer 3
Overturn. In this particular example, the thickness of layer 2 is about 300 nm and the thickness of layer 3 is about 10 nm.
nm.
Layers 2 and 3 are provided using techniques such as, for example, sputtering deposition or evaporation
In this case, layer 2 is deposited in a vacuum and layer 3 is deposited in an oxygen atmosphere.
Layer 3 was naturally scattered, especially due to various crystal defects at the interface between layers 2 and 3.
It has a small "pinhole" 5 at the location. In the ordinary thin film field, such pins
Holes are troublesome and generally reduce these pinholes as much as possible.
Efforts are being made to do so. However, in the present invention, the occurrence of the pinhole 5 is actually
Use it. Since a pinhole generally has a width of about 2 to 5 nm,
Pinholes are an ideal starting point for growing magnetic structures as claimed in claim 1.
Can act as a structure.
FIG. 5 shows that the device of FIG.Four・ 6HTwo
O (15 g / l) and FeSOFour・ 7HTwoO (2.25 g / l) and HThreeBOThree(6.7
7g / l). Apply a positive voltage to the magnetic layer 2
As a result, a part of the layer 2 is dissolved, and a small space 5 ′ is formed below the pinhole 5.
It is formed.
When the device of FIG. 5 is placed in the same electric field bath and a negative voltage is applied to layer 2, the device shown in FIG.
As described above, the electrodeposition of the magnetic material (permalloy) is performed in the pinhole 5 and the space 5 '.
A "sphere" 1 'of magnetic material is grown on top of the pinhole 5.
This spherical body 1 'can be regarded as a magnetic layer referred to in claim 1. But,
If desired, a magnetic material (permalloy) may be applied to the top of the layer 3 and the spherical body 1 'by electroless deposition.
And optionally, followed by electrodeposition from an electric field bath as described above.
The spherical body 1 'can be made wider.Example 4
FIG. 7 shows a part of a magnetoresistive magnetic read head (magnetic field sensor) according to the present invention.
It is a diagrammatic perspective view. This head has magnetic / magnetic characteristics as described in the first, second or third embodiment.
It has non-magnetic / magnetic three-layer bodies 1, 3, and 2, and an electrical connector 75 is provided on the three-layer bodies.
Have been. The head further forms a magnetic circuit for the three-layer body 1, 3, 2.
And the magnetic flux guides 77, 77 'arranged at the same position. The end faces 79, 79 'are magnetic
And a magnetic gap 80 located between these end faces 79, 79 '.
I have.
A magnetic medium such as a magnetic tape, a disk or a card is provided in front of the end faces 79, 79 '.
When passing close to them, the information magnetically stored on this medium will
A changing magnetic flux is generated in the magnetic circuit, and this magnetic flux also flows through the three-layer bodies 1, 3, and 2. this
The three-layer body 1, 3, 2 converts this changing magnetic flux into an electric resistance change, and converts this electric resistance change.
It can be measured via the electrical connection 75.
The head may be provided with an electric coil, and the electric coil is placed on a magnetic medium.
It can be used to record magnetic information.Example 5
FIG. 8 is a perspective view showing a part of a specific embodiment of the sensor according to the present invention.
The magnetic layers 1 and 2 and the constricted portion 7 are on the same plane.
A uniform layer made of a magnetic material (for example, Co) is formed on the electrically insulating substrate S (for example, Si).
L is provided. The thickness t of this layer LmIs, for example, about 100 nm. The
Using a selection mask and an etching technique well known in the technical field,
Etching) to form a pair of grooves 3 ', and the width defined by these grooves 3'
Two magnetic layers 1 and 2 connected to each other by a narrow constriction 7 are produced.
The width of the constriction 7 is wcAnd
In the preferred embodiment, the thickness of the constriction 7 is tmThinner than This point, for example,
This is achieved by partially etching away the constricted portion 7 in the direction toward the plate S.
be able to.